Nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin thông minh trên xe ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Hồng Xn Thành

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG THƠNG TIN
THÔNG MINH TRÊN XE Ô TÔ

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Hoàng Dũng

Hà Nội – Năm 2014


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 6
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 7
1. Tổng quan về GPS. .................................................................................................... 7
1.1.

Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống GPS ........................................... 7

1.2.

Các thành phần của GPS .................................................................................... 9

1.3.

Hoạt động của hệ thống .................................................................................... 13

1.4.

Bộ thu GPS. ...................................................................................................... 14

1.5.

Phương trình xác định tọa độ............................................................................ 15

1.6.

Hiệu chỉnh đồng hồ của bộ thu. ........................................................................ 16

1.7.

Nguồn lỗi của tín hiệu GPS .............................................................................. 17

1.8.

Chuẩn NMEA0183 ........................................................................................... 18

2. Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM.............................................................. 21
3. Dịch vụ số liệu cải tiến GPRS – General Packet Radio Service ............................. 21
3.1.

Sơ lược .............................................................................................................. 21

3.2.

Kiến trúc hệ thống GPRS chung....................................................................... 22

3.3.

Địa chỉ IP .......................................................................................................... 24

3.5.

Có 3 lớp khác nhau của thiết bị GPRS: ............................................................ 25

3.6.

Thông số chất lượng dịch vụ (QoS) GPRS ...................................................... 25

4. GIỚI THIỆU SIM 548 ............................................................................................ 27
4.1.

Giới thiệu chung ............................................................................................... 27

4.2.

Đặc điểm của module SIM548C ...................................................................... 27

4.3.

Sơ đồ chức năng ............................................................................................... 31

5. ATMEGA32 ............................................................................................................ 34
5.1.

Khái quát về ATMEGA32 ................................ Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 2 – XÂY DỰNG THIẾT BỊ THU TÍN HIỆU GPS VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU
TRÊN MODULE SIM584C .............................................................................................. 36
1. Xây dựng mạch thu tín hiệu GPS và gửi đến dữ liệu đến server sử dụng Module
Sim548C ......................................................................................................................... 36
1.1.

Sơ đồ khối ......................................................................................................... 36
1


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
1.2.

Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................ 37

1.3.

Layout ............................................................................................................... 38

1.4.

Các khối trong mạch ......................................................................................... 38

2. Lập trình điều khiển Module SIM584C .................................................................. 44
2.1.

Tập lệnh AT ...................................................................................................... 44

2.2.

Tập lệnh AT sử dụng điều khiển module GSM và GPS .................................. 46

2.3.

Lập trình cho vi điều khiển ............................................................................... 56

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG SERVER ............................................................................... 58
1. Yêu cầu chức năng của Server ................................................................................ 58
2. Thực hiện ................................................................................................................. 58
2.1.

Tại sao lại sử dụng C# ...................................................................................... 58

2.2.

Tại sao lại sử dụng MySQL .............................................................................. 61

3. Xây dựng Server kết hợp C# và MySQL ................................................................ 63
3.1.

Lắng nghe yêu cầu kết nối từ Module Sim548C, nhận và xử lý thông tin....... 63

3.2.

Kết nối với CSDL MySQL và ghi dữ liệu xuống cơ sở dữ liệu ....................... 64

CHƯƠNG 5 – GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG.................................................................... 66
1. Yêu cầu chức năng .................................................................................................. 66
2. Thực hiện ................................................................................................................. 66
2.1.

Tại sao lại sử dụng ứng dụng nền Web ............................................................ 66

2.2.

Tại sao lại phát triển thành module cho Joomla ............................................... 69

2.3.

Xây dựng Module sử dụng Google map API ................................................... 69

CHƯƠNG 7 – KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................... 72
1. Kết quả..................................................................................................................... 72
1.1. Sản phẩm mạch thu tín hiện GPS và truyền qua GPRS sử dụng Module
Sim548 ........................................................................................................................ 72
1.2.

Phần mềm Server .............................................................................................. 72

1.3.

Giao diện người dùng ....................................................................................... 73

2. Hạn chế và hướng phát triển đề tài .......................................................................... 76
2.1.

Hạn chế ............................................................................................................. 76

2.2.

Hướng khắc phục và phát triển ......................................................................... 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 77
2


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
GSM

: System for Mobile

GPRS

: General Packet Radio Services

GPS

: Global position systems

GIS

: Geographic Information System

OMC

: Operation & Maintenance Center

BSS

: Base station system

OMS

: Operation and Maintenance SubSystem

SMS

: Short Message Service

MMS

: Multimedia messaging service

WAP

: Wireless Application Protocol

SGSN

: Serving GPRS Support Node

GGSN

: Gateway GPRS Support Node

VLR

: Visited Location Register

HLR

: Home Location Register

CDMA

: Code Division Multiple Access

TDMA

: Time Division Multiple Access

SIM

: Subscriber Identity Module

W-CDMA

: Wideband Code Division Multiple Access

TCP/UDP

: Transmission Control Protocol/ User Datagram
Protocol

IP

: Internet Protocol

AT

: Attention Command

CR

: CARRIAGE RETURN

LF

: Line Feed

TE

: Terminal Equipment
3


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị tồn cầu ............................. 10
Hình 1.2 Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất ............................................ 11
Hình 1.3 Phần điều khiển của GPS ................................................................................... 12
Hình 1.5 Hệ trục tọa độ máy thu - vệ tinh ......................................................................... 15

Hình 1.7 Kiến trúc chung của hệ thống GPRS .................................................................. 22
Hình 1.8 Cấp phát địa chỉ IP động trong GPRS ................................................................ 25
Hình 1.9 Sơ đồ chức năng của module SIM548C ............................................................. 32
Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc ATmega32 ............................................................................... 35
H ình 2.1. Sơ đồ khối mạch thu tín GPS ........................................................................... 36
Hình 2.2. Sơ đồ ngun lý mạch thu tín GPS.................................................................... 37
Hình 2.3.Layout của mạch thu .......................................................................................... 38
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn .............................................................................. 39
Hình 2.5.Khối hiển thị LCD .............................................................................................. 40
Hình 2.6.Module SIM548C ............................................................................................... 41
Hình 2.7. Vi xử lý avr ........................................................................................................ 42
Hình 2.8 Lưu đồ thuật tốn của vi điều khiển ................................................................... 57
Hình 7.1 Sản phẩm mạch thu tín hiện GPS và truyền qua GPRS sử dụng Module Sim548
........................................................................................................................................... 72
Hình 7.2 Phần mềm Server nhận dữ liệu và ghi vào cơ sở dữ liệu .................................. 73
Hình 7.3 Website chạy trên localhost sử dụng XAMPP ................................................... 74
Hình 7.4 Hiển thị vị trí Module Sim548 trên Google maps được nhúng vào Website .... 75

4


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Diễn giải của bản tin GPRMC ........................................................................... 20
Bảng 2.1 Bảng phân loại các câu lệnh AT mở rộng .......................................................... 45
Bảng 2.2 Bảng lệnh cấu hình cho Module GPRS truy cập mạng ..................................... 47
Bảng 2.3 Tập lệnh tra cứu trạng thái GPRS ...................................................................... 51
Bảng 2.4 Tập lệnh thiết lập cấu hình TCP......................................................................... 52
Bảng 2.5 Lệnh gửi dữ liệu qua GPRS ............................................................................... 54

Bảng 2.6 Tập lệnh hủy kết nối GPRS................................................................................ 55
Bảng 3.1 Từ khóa của ngơn ngữ C# .................................................................................. 60

5


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ

MỞ ĐẦU
Nền kinh tế ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng các phương tiện giao thơng như
xe ơ tơ ngày càng tăng. Ngồi nhu cầu cho mục đích đi lại cá nhân, nhu cầu sử dụng các
phương tiện giao thông cho dịch vụ thương mại như xe khách, xe taxi, xe tải chở hàng …
đóng một vai trị lớn trong giao thơng hiện nay. Và đây cũng là lĩnh vực đang có nhiều bất
cập đối với ngành giao thông cũng như đối với các công ty, tổ chức cung cấp dịch vụ. Các
vấn đề đó là: tình trạng tai nạn, nhu cầu quản lý xe để biết được thơng tin về địa điểm, hình
ảnh hay cảnh báo lái xe về tuyến đường tối ưu để có được hiệu quả tối đa trong kinh doanh.
Dựa trên thực trạng trên, em đã thực hiện đồ án: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ
THỐNG THÔNG TIN THÔNG MINH TRÊN XE Ô TÔ
Với những nỗ lực thực sự, đồ án đã có được một số kết quả nhất định, mặc dù vậy,
do thời gian có hạn em khơng thể tránh khỏi một số thiếu sót cũng như một số nhiệm vụ
chưa hồn thành được. Vì vậy, em rất mong những ý kiến đóng góp của các thầy cơ giáo
và bạn bè.

6


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Tổng quan về GPS.

1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống GPS.
Sự ra đời của những phương tiện vận chuyển như máy bay, và những con tàu vũ trụ
địi hỏi điều khiển những thiết bị đó trong không gian ba chiều. Những phương pháp dẫn
đường và những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện chỉ xác định được vị trí theo 2 chiều
khơng gian dùng cho việc dẫn dắt các tàu thủy đã trở thành lỗi thời và khơng cịn phù hợp.
Trước những địi hỏi về kỹ thuật đó nhiều nhà khoa học đã được chính phủ Mỹ tài trợ để
thực hiện nghiên cứu hệ thống dẫn đường dựa trên vũ trụ. Bộ Quốc phòng Mỹ là cơ quan
thiết kế và điều khiển hệ thống định vị tồn cầu. Trong nhóm những người tham gia điều
hành dự án GPS của Bộ Quốc Phòng Mỹ cần kể tới sự đóng góp to lớn của TS Ivan Getting,
người sáng lập The Aerospace Corporation, và TS Bradford Parkinson, chủ tịch hội đồng
quản trị của The Aerospace Corporation.Hệ thống định vị tồn cầu (Global Positioning
System - GPS) được Chính phủ Mỹ thiết lập năm 1995, là hệ thống định vị, dẫn hướng và
định thời trên không trung được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Hệ thống vệ tinh này cung
cấp miễn phí các dịch vụ có liên quan, bao gồm các hoạt động dân sự và quân sự cho người
sử dụng trên tồn thế giới. Việc áp dụng cơng nghệ GPS không chỉ phổ biến cho việc sử
dụng dân sự, từ ôtô, máy bay đến điện thoại di động, mà cũng là một bộ phận không thể
thiếu của hệ thống an ninh và bảo vệ quốc phòng.Hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global
Positioning System) là một mạng gồm 24 vệ tinh Navstar quay xung quanh Trái đất tại độ
cao 11.000 dặm (17.600 km). Được Bộ Quốc Phòng Mỹ ấn định chi phí ban đầu vào
khoảng 13 tỷ USD, song việc truy nhập tới GPS là miễn phí đối với mọi người dùng, kể cả
những người ở các nước khác. Các số liệu định vị và định thời được sử dụng cho vô số
những ứng dụng khác nhau bao gồm hàng không, đất liền và hàng hải, theo dõi các phương
tiện giao thông trên bộ và tầu biển, điều tra khảo sát và vẽ bản đồ, quản lý tài sản và tài
nguyên thiên nhiên.

7


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
Với việc khắc phục được những giới hạn về độ chính xác quân sự vào tháng 3/1996,

ngày nay GPS có thể chỉ ra chính xác vị trí của các mục tiêu chỉ nhỏ bằng đồng 10 xu ở
bất kỳ nơi nào trên bề mặt trái đất.
Vệ tinh GPS đầu tiên đã được phóng vào năm 1978. Mười vệ tinh đầu tiên là các vệ
tinh ‘mở mang’, gọi là Block 1 (Lô 1). Từ năm 1989 đến năm 1993 có 23 vệ tinh khai thác,
gọi là Block 2 (Lơ 2) đã được phóng lên quỹ đạo. Vệ tinh thứ 24 được phóng nốt vào năm
1994 đã hoàn thành hệ thống.
Vệ tinh bay với vận tốc cao cứ 12 tiếng đồng hồ thì đủ một vịng quỹ đạo. Cho đến
nay đã có tổng số 28 vệ tinh, trong đó 24 chiếc đang hoạt động và 4 chiếc kia dùng để dự
phịng khi có một chiếc nào bị hỏng.
Quỹ đạo bay của hệ thống vệ tinh này cũng được sắp xếp để bất cứ chỗ nào trên trái
đất đều nhận thấy ít nhất là 4 vệ tinh đang bay ngang trên trời. Nhiệm vụ của thiết bị GPS
là làm sao nhận được tín hiệu phát ra từ các vệ tinh bay ngang trên trời … tối thiểu là từ ba
vệ tinh. Một khi máy đã nhận được tín hiệu phát ra từ các vệ tinh thì các mạch điện tử trong
máy sẽ đo và biết được khoảng cách từ các vệ tinh cũng như tọa độ của nó.
Trong vài giây đồng hồ máy sẽ làm bài toán và cho giải đáp ngay đó là tọa độ của
máy, phương pháp này trong toán học gọi là TRILATERATION (phép đo 3 cạnh tam giác).
Tọa độ này cho bạn biết từ vĩ tuyến cho đến kinh tuyến chính xác đến mức độ tới từng
giây.
Một số hệ thống toàn cầu và khu vực khác như hệ thống Galileo do liên minh Châu
Âu và Cơ quan vũ trụ Châu Âu thiết lập. Hệ thống dẫn hướng trong không trung GLONASS
của Nga, Hệ thống QZSS của Nhật Bản và Hệ thống BEIDOU của Trung Quốc hiện đang
được xây dựng. Sau nghiên cứu đánh giá kỹ lưỡng. Chương trình dẫn hướng vệ tinh
Galileo, một sáng kiến hợp tác giữa liên minh Châu Âu và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, cuối
cùng đã nhận được sự khẳng định để sử dụng và chương trình này rất giống với trọng tâm
chính sách của Mỹ. Các thực thể quản lý và cơ quan an ninh cũng được yêu cầu phát hiện
và bảo vệ chống lại việc sử dụng các hệ thống này một cách phi pháp và cho các mục đích
8


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ

chống đối. Nỗ lực duy trì Chương trình GLONASS cho thấy dự định của Nga ủng hộ GNSS
riêng của mình. Hệ thống do Chính phủ liên bang Nga quản lý bao gồm 21 vệ tinh, có quỹ
đạo quay quanh 3 hành tinh khác nhau. Từ sau năm 1995 hệ thống GPS vẫn tiếp tục được
duy trì và bảo dưỡng cũng như thay thế những vệ tinh già tuổi. Năm 2000, số vệ tinh trong
chòm GPS đã tăng lên 28 vệ tinh. Những vệ tinh thế hệ GPS-IIR đã và đang được phóng
lên để thay thế những vệ tinh già tuổi. Vệ tinh được phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên
GPS-IIR-M1, là vệ tinh đầu tiên thuộc thế hệ 8 chiếc vệ tinh hiện đại nhất GPS -IIR-M.
Theo website Space-Based Postioning, Navigation and Timing của chính phủ Mỹ, Chính
phủ Mỹ cam kết cung cấp tối thiểu 24 vệ tinh GPS hoạt động trên quĩ đạo với 95% thời
gian. Khơng lực Mỹ (USA Air Force) phóng các vệ tinh bổ sung có chức năng dự trữ để
phịng cho thời gian bảo dưỡng định kỳ các vệ tinh và bảo đảm tính sẳn có của ít nhất 24
vệ tinh hoạt động. Từ 28/08/2009, đã có 35 vệ tinh trong chòm GPS, với 30 vệ tinh ‘khỏe
mạnh’ cho người sử dụng”. Do đó, chịm 30 vệ tinh đang thực sự bay như một chòm 24 vệ
tinh.
1.2. Các thành phần của GPS
Hệ thống vệ tinh GPS chia làm 3 phần (“Hệ thống định vị tồn cầu” n.d):
-

Phần khơng gian (space segment): Các vệ tinh.

-

Phần điều khiển (control segment ): Trạm mặt đất.

-

Phần người sử dụng (user segment): Bộ thu tín hiệu.

9

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ

Hình 1.1 Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu
1.2.1. Phần không gian
Gồm 28 quả vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 4 vệ tinh dự trữ khi có một chiếc nào
bị hỏng) (tính đến năm 2000) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng chuyển
động ổn định, hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ. Các vệ tinh này chuyển
động với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các
máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.
Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồn pin dự
phịng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng khơng có ánh sáng Mặt Trời. Các tên
lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.

10


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ

Hình 1.2 Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất
1.2.2. Phần điều khiển
Mục đích trong phần này là kiểm sốt vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thơng
tin thời gian chính xác. Có tất cả 5 trạm kiểm sốt được đặt rải rác trên trái đất.
Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm
ở Colorado Springs bang Colarado của Mỹ. Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những
vệ tinh và gửi các thơng tin này đến trạm kiểm sốt trung tâm. Tại trạm kiểm sốt trung
tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với hai anten khác để gửi lại thông tin cho
các vệ tinh.
Phần điều khiển có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:
-

Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục
11


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
-

Quy định thời gian hệ thống GPS

-

Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh

-

Cập nhật định kỳ thơng tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể.

Hình 1.3 Phần điều khiển của GPS
1.2.3. Phần người sử dụng
Phần người sử dụng là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng dùng anten và máy
thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thơng tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển.
Các bộ thu GPS của người sử dụng bao gồm anten, bộ xử lý và một đồng hồ có độ
ổn định cao được đặt ở tần số truyền dẫn của các vệ tinh. Chúng cũng có thể bao gồm các
bộ phận hiển thị để cung cấp các thơng tin vị trí, tốc độ, hay bản đồ chỉ đường.
Một bộ thu GPS được mô tả với số kênh. Nó cho biết số lượng vệ tinh tối đa mà bộ
thu có thể xử lý đồng thời. Hiện nay, số kênh của bộ thu GPS thường đạt tới 12 đến 20
kênh.
Đa số các bộ thu GPS có thể truyền tải dữ liệu tính tốn được tới máy tính hay các thiết
bị khác sử dụng giao thức NMEA 0183 hay chuẩn mới hơn và ít sử dụng hơn là NMEA

2000. Ngồi ra cũng có các giao thức khác như SiRF hay MTK. Bộ thu GPS có thể truyền
dữ liệu tới các thiết bị khác thông qua giao tiếp nối tiếp, USB hay BlueTooth.
12


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
1.3. Hoạt động của hệ thống
Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người dùng và
được đo theo phép tam giác đạc. Để thực hiện phép tam giác đạc, GPS đo khoảng cách
thông qua thời gian hành trình của bản tin vơ tuyến từ vệ tinh tới một máy thu mặt đất. Để
đo thời gian hành trình, GPS sử dụng các đồng hồ rất chính xác trên các vệ tinh, một khi
khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì việc biết trước về vị trí vệ tinh trong khơng gian sẽ
được sử dụng để hồn thành tính tốn. Các máy thu GPS trên mặt đất có một “cuốn niên
giám” được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi
nào trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào. Các máy thu GPS sẽ tính tốn các thời gian trễ
qua tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tục làm chính xác hơn phép đo vị trí.
Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốn
đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây. Nhằm tiết kiệm chi
phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới đất được làm ít chính xác hơn đơi chút. Bù lại,
một phép đo tầm hoạt động vệ tinh được trang bị thêm. Phép đo lượng giác chỉ ra rằng, nếu
ba số đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong khơng gian ba chiều thì một phép đo
thứ tư có thể loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào đó.
Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng bộ hố khơng hồn hảo của máy thu. Khối mặt
đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng, với tốc độ như vậy tín
hiệu cũng phải mất một lượng thời gian đáng kể để tới được máy thu. Sự chênh lệch giữa
thời điểm tín hiệu được gửi đi và thời điểm tín hiệu được thu nhận với tốc độ ánh sáng cho
phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh. Để đo lường chính xác độ cao, kinh độ và
vĩ độ, máy thu đo thời gian các tín hiệu từ một số vệ tinh truyền tới máy thu GPS sử dụng
một hệ tọa độ gọi là Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984 (WGS-84 - Worldwide Geodetic
System 1984). Hệ thống này tương tự như các đường kẻ kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộc

thường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn. Hệ thống WGS - 84 cung cấp một khung
tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ hãng sản xuất nào
cũng cung cấp đúng cùng một thông tin định vị.

13


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
1.4. Bộ thu GPS.
Bộ thu GPS tính tốn vị trí của nó bằng việc tính tốn và so sánh thời gian truyền
tín hiệu từ lúc nó được gửi từ vệ tinh đến khi nhận được tại bộ thu trên mặt đất.
Mỗi vệ tinh truyền liên tục các bản tin có chứa thời gian bản tin được gửi đi, thơng
tin quỹ đạo chính xác, tình trạng hệ thống chung. Bộ thu GPS đo thời gian truyền của mỗi
bản tin gửi từ vệ tinh và tính tốn khoảng cách tới vệ tinh đó. Phép đo hình học ba cạnh
tam giác được sử dụng để kết hợp các khoảng cách này cùng vị trí của các vệ tinh để xác
định vị trí của bộ thu. Tuy nhiên trên thực tế, một sai số nhỏ của thời gian nhân với vận tốc
rất lớn của ánh sáng (cũng là vận tốc lan truyền của sóng điện từ) sẽ gây ra sai số về khoảng
cách đáng kể. Do vậy các bộ thu sử dụng thêm một vệ tinh để hiệu chỉnh đồng hồ của
chúng. Trong một số trường hợp nếu biết một trong các thơng số tọa độ khơng gian, ví dụ
như độ cao, chúng ta chỉ cần 3 vệ tinh để xác định được vị trí chính xác.
Tính tốn được khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh, cho phép xác định vị trí của bộ
thu nằm trên hình cầu có tâm là vệ tinh đó. Do vậy, với 4 vệ tinh ta có thể xác định được
vị trí của bộ thu ở tại hai miền giao của 4 hình cầu có tâm là vị trí các vệ tinh,bán kính là
khoảng cách từ bộ thu tới các vệ tinh đó.
Trường hợp khơng có lỗi, bộ thu GPS sẽ có vị trí tại một điểm giao của 4 bề mặt
hình cầu. Nếu bề mặt của hai mặt cầu giao nhau tại nhiều hơn một điểm, giao tuyến của
chúng sẽ là một hình trịn. Giao tuyến này và mặt cầu thứ 3 trong hầu hết các trường hợp
sẽ giao nhau tại hai điểm (mặc dù chúng có thể chỉ giao nhau tại một điểm hoặc khơng giao
nhau). Vị trí chính xác của bộ thu GPS là 1 trong hai giao điểm mà gần với bề mặt trái đất
nhất đối với các bộ thu của các phương tiện di chuyển trên hay gần bề mặt trái đất. Giao

điểm cịn lại có thể là vị trí chính xác của một thiết bị khác trong không gian.

14


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ

1.4.1. Hình 1.4 Tính tốn vị trí của bộ thu GPS trên bề mặt trái đất
1.5. Phương trình xác định tọa độ.

Hình 1.5 Hệ trục tọa độ máy thu - vệ tinh

15


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
Để xác định được tọa độ thì tại vị trí đó cần “nhìn” thấy ít nhất 4 vệ tinh (hình vẽ).
Ta có khoảng cách giữa vị trí cần đo và vệ tinh là ρ = c * t, trong đó c là vận tốc ánh sáng
và t là khoảng thời gian sóng truyền từ vệ tinh tới vật.
Gọi tọa độ vị trí là (X, Y, Z), tại một thời điểm ta có 4 phương trình như sau:

Hình 1.6 Phương trình xác định tọa độ của máy thu GPS
Trong đó Δt là thơng số để đồng bộ thời gian giữa phía phát và phía thu. Giải 4
phương trình 4 ẩn ta thu được tọa độ cần xác định.
1.6. Hiệu chỉnh đồng hồ của bộ thu.
Phương pháp tính tốn vị trí trong trường hợp khơng có lỗi đã được giải thích ở trên.
Trong thực tế, nguồn gây lỗi đáng kể nhất là đồng hồ của bộ thu GPS. Bởi vì tốc độ lan
truyền ánh sáng là rất lớn, do vậy chỉ một sai số nhỏ của thời gian sẽ gây ra sai lệch lớn
trong tính tốn khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh. Muốn vậy bộ thu GPS phải được trang
bị một đồng hồ đặc biết chính xác, với giá thành cao. Tuy nhiên, các nhà sản xuất mong

muốn đưa ra thị trường những thiết bị thu GPS ở mức giá chấp nhận được cho thị trường
đa số người dùng, do vậy cách giải quyết sự xung đột này dựa trên cách mà các mặt cầu
giao nhau.
Hầu hết các khả năng bề mặt của 3 mặt cầu sẽ giao nhau khi đường tròn giao tuyến
của hai mặt cầu đầu tiên thường sẽ đủ lớn và sẽ giao với mặt cầu thứ 3 tại hai điểm. Tuy
vậy, mặt cầu thứ 4 hầu như sẽ khơng có khả năng giao với hai điểm của ba mặt cầu đầu
16


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
tiên, do bất kỳ một sự sai số về thời gian khi thực hiện các phép tính trên bộ thu. Tuy nhiên,
khoảng cách từ vị trí ước lượng của bộ thu GPS tới bề mặt hình cầu ứng với vệ tinh thứ 4
có thể được sử dụng để hiệu chỉnh sai số đồng hồ. Chúng ta đặt khoảng cách từ vị trí ước
lượng của bộ thu GPS tới vệ tinh thứ 4 là R4, P4 là giả khoảng cách của vệ tinh thứ 4. Khi
đó, khoảng cách Da từ vị trí ước lượng của bộ thu tới bề mặt hình cầu ứng với vệ tinh thứ
4: Da = R4 – P4. Thời gian ước lượng cho sự sai số đồng hồ được tính là B= Da / c (với c
là vận tốc ánh sáng). Chúng ta dễ nhận thấy đồng hồ trên bộ thu GPS trễ khi giá trị B là âm
và nhanh khi giá trị B là dương.
1.7. Nguồn lỗi của tín hiệu GPS
Có khá nhiều nguồn có thể gây nhiễu hoặc suy giảm tín hiệu siêu cao tần phát từ vệ
tinh tới các bộ thu. Khi đó bộ thu có thể khơng thực hiện được các phép tính tốn vị trí hay
cho kết quả sai lệch:
Sự giữ chậm của tầng đối lưu (do độ ẩm) và tầng điện ly. Tín hiệu bị chậm đi khi đi
xuyên qua tầng khí quyển, nhất là tầng điện ly. Hệ thống GPS sử dụng các mơ hình tích
hợp sẵn để tính tốn độ trễ tín hiệu trung bình và hiệu chỉnh một phần lỗi do nguyên nhân
này gây ra.
Hiệu ứng nhiều đường: xảy ra khi tín hiệu GPS bị phản xạ từ các tòa nhà, các bề
mặt lớn trước khi tới được bộ thu. Nguyên nhân này sẽ làm tăng thời gian truyền dẫn tín
hiệu GPS.
Sai lệch đồng hồ máy thu: Đồng hồ trên máy thu có thể sai lệch so với các đồng hồ

nguyên tử trên vệ tinh, gây ra các phép tính sai về khoảng cách. Tuy nhiên trên thực tế các
sai lệch về đồng hồ rất nhỏ.
Lỗi quỹ đạo: Cũng được biết đến là các lỗi thiên văn, do các vệ tinh thông báo vị trí
khơng chính xác.
Số lượng vệ tinh nhìn thấy tại vị trí bộ thu: Càng nhiều số lượng vệ tinh nhìn thấy
được thì các phép tính của bộ thu càng chính xác. Bất kỳ một vật cản nào cũng có thể làm
17


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
che khuất các vệ tinh khỏi tầm nhìn của bộ thu GPS. Các bộ thu GPS thường không làm
việc trong nhà, dưới nước hay dưới lịng đất.
Che khuất về hình học: Phụ thuộc vào vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểm
bất kỳ. Khi các vệ tinh nằm trên một đường thẳng hoặc tạo thành nhóm sẽ gây ra sự che
khuất đối với bộ thu GPS.
Sự suy giảm của tín hiệu vệ tinh có chủ ý: Là hành động có mục đích của Bộ Quốc
phòng Hoa Kỳ nhằm ngăn chặn các đối thủ quân sự thu được chính xác tín hiệu định vị.
Tuy việc này đã được ngừng từ năm 2000, tuy nhiên khơng có một sự đảm bảo chắc chắn
về tính ổn định và chính xác của các bộ thu GPS.
1.8. Chuẩn NMEA0183
1.8.1. Sơ lược về chuẩn NMEA và chuẩn NMEA0183.
NMEA (hay NMEA 0183) là sự một chuẩn giao thức cho truyền thông giữa các
thiết bị điện tử dùng cho tàu thủy cũng như các thiết bị đo tốc độ gió, la bàn, máy lái tự
động, thiết bị thu GPS và rất nhiều các thiết bị khác được định nghĩa và phát triển bởi Hiệp
hội điện tử tàu thủy quốc gia Hoa Kỳ (National Marine Electronics Association).
Chuẩn NMEA 0183 sử dụng các ký tự ASCII, giao thức truyền thông nối tiếp quy
định cách một “thiết bị gửi” truyền một câu dữ liệu tới “thiết bị nhận” tại một thời điểm.
Ở tầng ứng dụng, chuẩn NMEA quy định nội dung các kiểu câu dữ liệu cho phép
thiết bị nhận có khả năng phân tích dữ liệu một cách chính xác. Các câu dữ liệu đều bắt
đầu bằng ký tự “$” và kết thúc bằng <CR><LF>.

Đối với các các thiết bị GPS, tất cả các câu dữ liệu đều bắt đầu bằng “$GPxxx”
trong đó xxx là loại bản tin. Một số loại câu dữ liệu thường sử dụng:
-

GGA: Global positioning system fixed data

-

GLL: Geographic position-latitude/longitude

-

GSA: GNSS DOP and active satellites

-

GSV: GNSS satellites in view
18


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
-

RMC: Recommended minimum specific GNSS data

-

VTG: Course over ground and ground speed

Cấu hình truyền thơng nối tiếp (tầng liên kết dữ liệu)

-

Tốc độ bit: 4800 bps

-

Số bit dữ liệu: 8

-

Bít chẵn lẻ: None

-

Bit dừng: 1 hoặc nhiều hơn

-

Cơ chế bắt tay thiết bị: không

Hầu hết các máy GPS hiện nay đều giao tiếp dựa trên chuẩn NMEA 0183, một số
thì vẫn có thể dùng được với chuẩn NMEA 0180 và NMEA 0182 với tốc độ truyền dữ liệu
chỉ có 1200bps.
1.8.2. Cấu trúc chuỗi NMEA
Mỗi câu bắt đầu bằng ký tự “$” 5 ký tự tiếp theo cho phép nhận dạng loại câu dữ
liệu. Tất cả các trường dữ liệu theo sau được phân cách bởi dấu “,”. Ký tự đầu tiên tiếp
theo sau các trường dữ liệu là dấu “*”
Theo sau dấu “*” là hai số checksum biểu diễn dưới dạng hex. Checksum được tính
bằng cách XOR tất cả các mã ASCII của tất cả các trường giữa 2 dấu “$” và “*” kể cả mã
ASCII của dấu “*”.

Các ký tự enter và xuống dòng kết thúc câu dữ liệu. Nếu dữ liệu cho một trường nào
đó khơng có thì trường đó trống và dấu “,” ngăn cách giữa các trường vẫn được truyền đi.
Ví dụ với câu dữ liệu GPRMC
$GPRMC,125446,A,3316.15,N,33311.23,W,011.6,024.7,122194,121.4,E*18
-

Bản tin kiểu RMC- (Recommended Minimum Specific GNSS Data)
Ví dụ ta nhận được chuỗi bản tin

19


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
$GPRMC,132229.587,A,3723.2475,S,12258.4416,E,0.23,339.62, 090599,,*10
Sau đây là diễn giải của bản tin
Bảng 1.1 Diễn giải của bản tin GPRMC
Tên

Ví dụ

Message ID

$GPRMC

Thời

gian

Đơn vị

(UTC 132229.587

Mơ tả

Giờ phút giây

Time)

hhmmss.ss

Tình trạng

A

Vĩ độ (Lattitude)

3723.2475

ddmm.mmmm

Chỉ dẫn Nam Bắc S
(N/S Indicator)
Kinh

độ 12258.4416

ddmm.mmmm

(Longtitude)
Chỉ dẫn Đông Tây E

(E/W Indicator)
Tốc độ trên mặt đất

0.23

Hướng bám trên mặt 339.62

Knot
Độ

đất
Ngày tháng
Kiểm

090599

ddmmyy

tra *10

Kiểm tra ma truyền

(Checksum)

tin

20


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ

2. Hệ thống thông tin di động tồn cầu GSM
Hệ thống thơng tin di động toàn cầu – GSM là tiêu chuẩn phổ biến nhất trong thông
tin di động trên thế giới hiện nay. Theo tổ chức sáng lập là hiệp hội GSM ước đoán rằng,
80% thị trường di động toàn cầu đang sử dụng công nghệ này, với hơn 3 tỷ người trên hơn
212 quốc gia. Sự phổ biến này giúp cho việc chuyển vùng quốc tế giữa các nhà cung cấp
dịch vụ di động trở nên dễ dàng, các thuê bao có thể sử dụng dịch vụ di động ở nhiều nơi
trên thế giới.
Ngoài cung cấp dịch vụ cuộc gọi thoại, GSM cũng mở rộng các dịch vụ tiện lợi khác
cho người sử dụng như tin nhắn ngắn SMS, được hỗ trợ tốt bởi hầu hết các chuẩn di động
khác. Các tiêu chuẩn mới sau này ra đời, như General Packet Radio Service –GPRS (năm
1997) và Enhanced Data Rates for GSM Evolution – EDGE (năm 999), mang lại các dịch
vụ giá trị gia tăng phong phú và các mức cước phí hấp dẫn.
3. Dịch vụ số liệu cải tiến GPRS – General Packet Radio Service
3.1. Sơ lược
GPRS là dịch vụ dữ liệu di động, sử dụng phương thức chuyển mạch gói được phát
triển trên nền hệ thống thơng tin di động tồn cầu GSM, cho phép các thiết bị di động gửi
và nhận dữ liệu trong mạng. GPRS là một bước để phát triển lên hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ 3 (3G).
Tốc độ: GPRS sử dụng phương thức chuyển mạch gói. Tốc độ kết nối cao hơn, có
thể đạt tới khoảng 56-118kbps, so với mạng GSM truyền thống chỉ là 9,6kbps.
Bằng việc kết hợp các khe thời gian chuẩn GSM, tốc độ theo lý thuyết có thể đạt tới
171,2kbps. Tuy nhiên, tốc độ 20-50kbps là khả thi hơn trong thực tế.
Kết nối liên tục: GPRS là dịch vụ kết nối liên tục, mà không cần phải quay số. Đây
không phải là một tính năng duy nhất có ở GPRS, nhưng sẽ khơng có trở ngại nào để nó
trở thành tính năng then chốt khi chuyển tiếp lên 3G. Nó giúp cho các thiết bị tiếp nhận các
dịch vụ một cách tức thời.
21


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ

Các ứng dụng giá trị gia tăng mới và tốt hơn: Kết nối truyền dữ liệu tốc độ cao và
liên tục cho phép các ứng dụng internet và các dịch vụ như hội thoại hình có thể được thực
hiện trên các thiết bị di động hay chuyển tới máy PC.
Chi phí đầu tư và vận hành: Các nhà cung cấp dịch vụ mạng di động khơng cần phải
bắt đầu từ vạch xuất phát để có thể triển khai GPRS. GPRS được nâng cấp từ mạng GSM
đã có.
Cước phí dịch vụ truyền tải dữ liệu bằng GPRS thường được tính trên lưu lượng
truyền tải, trong khi đó phương pháp truyền thống sử dụng chuyển mạch kênh được tính
dựa trên thời gian kết nối, khơng phụ thuộc vào việc người sử dụng đang truyền tải dữ liệu
hay ở trạng thái nghỉ.
3.2. Kiến trúc hệ thống GPRS chung.

Hình 1.7 Kiến trúc chung của hệ thống GPRS
GPRS không phải là một mạng hoàn toàn tách biệt với GSM. Nhiều thiết bị như
trạm thu phát gốc (BTS), bộ điều khiển trạm thu phát gốc (BSC) vẫn được sử dụng.
Việc triển khai dịch vụ GPRS thường là nâng cấp về phần mềm, phần cứng hoặc cả
hai. Việc nâng cấp phần mềm hầu như có thể được thực hiện từ xa.
22


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
Có hay bộ phận chức năng quan trong trong hoạt động của GPRS: Serving GPRS
Support Node – SGSN và Gateway GPRS Support Node – GGSN. Hai thành phần này là
những thay đổi lớn nhất và hoàn toàn mới so với mạng GSM.Dịch vụ dữ liệu GPRS hoạt
động song song với dịch vụ thoại trên GSM. Trong mạng GSM thường có nhiều trạm điều
khiển trạm thu phát gốc (BSC). Khi triển khai dịch vụ GPRS, tại các trạm BSC được bổ
sung các bộ đơn vị điều khiển gói tin PCU – Packet Control Unit. Bộ phận này sẽ phân biệt
dữ liệu của mạng GSM chuẩn (hay chuyển mạch kênh) và dữ liệu của dịch vụ GPRS ( hay
chuyển mạch gói). Trong vài trường hợp, PCU có thể là các bộ phận riêng biệt.
-

SGSN
Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) đảm nhận các tác nhiệm quan trọng, bao gồm

định tuyến (routing), chuyển giao và cấp phát địa chỉ IP.
SGSN có một kết nối logic tới các thiết bị GPRS. Khi thiết bị đang sử dụng dịch vụ
GPRS di chuyển, từ ô tế bào này sang ô tế bào khác, SGSN có nhiệm vụ đảm bảo kết nối
của thiết bị di động tới mạng không bị ngắt. Khi thiết bị di chuyển vào một vùng mạng
được điều khiển bởi một SGSN khác, nó sẽ thực hiện chuyển giao cho SGSN mới. Quá
trình này được thực hiện rất nhanh. Bất kỳ gói dữ liệu nào bị mất trong quá trình chuyển
giao này cũng sẽ được truyền lại.
SGSN chuyển đổi dữ liệu di động thành IP và được kết nối với GGSN qua giao thức
đường hầm( tunneling protocol).
-

GGSN
Nút hỗ trợ cổng vào GPRS (GGSN) là cổng cuối cùng trong mạng GPRS trước khi

kết nối với một ISP hay bộ định tuyến của mạng doanh nghiệp. GGSN về cơ bản là một
cổng vào (gateway), bộ định tuyến (router) và tường lửa (firewall) kết hợp làm một. GGSN
cũng làm nhiệm vụ xác nhân chi tiết người dùng với máy chủ RADIUS cho quá trình bảo
mật, thường xảy ra trong mạng IP, hay bên ngoài mạng GPRS.
-

Kết nối giữa SGSN và GGSN
23


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SỸ
Kết nối giữa hai nút hỗ trợ GPRS sử dụng giao thức gọi là GPRS Tunneling Protocol

(GTP). GTP nằm trên TCP/IP và có trách nhiệm thu thập các thơng tin tính cước và dàn
xếp. Trong thực tế hai khối GSN có thể nằm cùng trong một khối đơn.
- HLR – Home Location Register
Bộ đăng ký vị trí trung tâm (HLR) là một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin thuê bao,
khi một thiết bị di động kết nối tới mạng sử dụng số nhận dạng MSISDN, trạng thái của
thuê bao, hay đôi khi là địa chỉ IP.
3.3. Địa chỉ IP
3.3.1. Cấp phát địa chỉ IP
Có 3 cách khác nhau để cấp phát địa chỉ IP cho các thiết bị di động.
-

Cấp phát IP tĩnh:
Địa chỉ IP tĩnh cho thiết bị di động không được sử dụng do sự hạn chế của địa chỉ

IPv.4. Thông tin này được lưu giữ trong HLR
Hình 1.14 Cấp phát địa chỉ IP tĩnh trong GPRS
-

Cấp phát IP động:
Thiết bị di động được cấp phát địa chỉ IP động. Địa chỉ IP này không được lưu giữ

tại HLR, mà được chuyển cho GGSN.

24